Modern elektronik beskrivs som att den blir mindre, snabbare och samtidigt mer kapabel. Därför står kretskortsdesign inför större svårigheter jämfört med tidigare epoker. Ingenjörer utmanas av begränsningar i avstånd, signalintegritetsproblem och komplikationer med värmeavledning när de arbetar med täta layouter. De miniatyriserade storlekarna på smartphones gör prestanda till en viktigare faktor i minimalistisk kretsdesign. Det blir mycket mer utmanande att tillgodose alla nödvändiga designbegränsningar i en kretskortslayout.
Detta förklarar användningen av en fyrlagers-kretskortsdesign. Förväntade resultat inkluderar förbättrad signalintegritet, bättre effektfördelning och förbättrad prestanda.
4-lagers PCB-struktur och vanlig staplingskonfiguration
Ett fyrlagers-kretskort består av fyra lager koppar med ett isolerande lager mellan varje par. Skillnaden mellan ett enkel- och dubbellagers-kretskort är att ett fyrlagers-kretskort ger mer effektivitet när det gäller att designa kretsar eftersom det finns fler lager vilket hjälper till att utnyttja dem bättre elektriskt.
Vanligtvis används de yttre lagren (övre och nedre) för komponenter och kabeldragning, medan de inre lagren fungerar som kraft- respektive jordplan. En sådan design hjälper till att stabilisera spänningen i systemet och minskar elektromagnetisk störning (EMI)En sådan design möjliggör också funktionell separation mellan signalvägledning och kraftdistribution, vilket förbättrar den övergripande designtillförlitligheten.
Ett sådant lagerarrangemang är känt som en fyrlagers PCB-stapel.
Kritiska designprinciper för 4-lagers PCB
För en fyrskiktsdesign bör dock signalspåren placeras precis ovanpå referensskiktet, vilket innebär behov av närhet mellan de två typerna av lager. På så sätt blir det möjligt att minska looparean, undertrycka elektromagnetisk störning (EMI) samtidigt som effektiv signalöverföring säkerställs.
Med tanke på placeringen av komponenter på kretskorten är det nödvändigt att ta hänsyn till routingen efter att signaler placerats. Det viktigaste kravet i detta avseende är att säkerställa lämpligt avstånd, spårlängd och korrekt routingstopologi för att undvika överhörning. För design av höghastighetssignaler är det dock avgörande att säkerställa korrekt impedanskontroll.
Samtidigt är det en annan mycket viktig fråga inom kretskortsdesign, som inte bör förbises, som rör värmehantering. Därför är det viktigt att placera komponenterna på rätt sätt och underlätta deras kylning genom termiska vior, koppargjutningar och andra metoder. Dessutom är det nödvändigt att säkerställa kretskortets tillverkningsbarhet.
Viktiga fördelar med 4-lagers PCB
En annan fördel med att designa ett fyrlagers-kretskort är dess höga prestanda. Om kretskortet inkluderar dedikerade matnings- och jordplan, kommer det tack vare användningen av dessa plan att vara möjligt att uppnå högre prestanda jämfört med tvålagers-kretskort eftersom signalerna uppvisar bättre integritet och lägre brus i kretsen.
Förutom den höga prestandan finns det ytterligare en egenskap hos ett fyrlagers-PCB som förtjänar uppmärksamhet – förbättrad routingseffektivitet. Tack vare det större antalet lager i en sådan kretskortsdesign är det möjligt att öka effektiviteten i organiseringen av spår och ledningar. Att kombinera förmågan att överföra signaler snabbare med hög organisationseffektivitet resulterar i ökad tillförlitlighet hos kretskortet; därför blir det möjligt att göra färre misstag och felsöka kortet enklare.
Slutligen finns det många fördelar när det gäller hållbarheten hos den enhet som tillverkas med hjälp av en fyrlagers-PCB-stapling. För det första är ett sådant kort mer motståndskraftigt mot yttre förhållanden som kan påverka det negativt, och för det andra är det med hjälp av denna teknik möjligt att uppfinna nya tekniker som syftar till att utveckla mer kompakta elektroniska enheter. Även om den initiala kostnaden för kretskortet verkar ganska hög, kan det minska kostnaderna för omdesign och felsökning i komplexa konstruktioner.
4-lagers PCB-tillverkningsprocess
Jämförelse av produktionsprocessen för en tvåskiktad PCB Med en fyrlagersbräda kan vi säga att den senare involverar flera steg. Kunskap om processen gör det dock möjligt att förstå fördelarna med en sådan bräda.
Först bör det nämnas att det första steget i tillverkningen av ett fyrlagers-PCB är designen av kortet. Detta utförs vanligtvis med hjälp av ett datorstödd designprogram, där konstruktörer ritar ett kretskort, dess uppbyggnad och routing. Det är avgörande att vara noggrann med detta steg eftersom eventuella misstag i designen påverkar det fortsatta arbetet.
Sedan involverar det andra steget bearbetning av de inre lagren. När det gäller ett fyrlagers-kretskort innebär det bearbetning av kraft- och jordplan. Således används ett kopparbeklätt laminat, där onödiga delar avlägsnas via fotolitografi och kemisk etsning. Det bör nämnas att båda lagren måste testas separat innan man går vidare till nästa steg.
Nästa steg är sedan sammanfogning av lagren. Prepreg används, vilket är ett slags glasfibermaterial täckt med ett speciellt harts. Processen utförs således vid hög temperatur och under stort tryck i en vakuumlamineringspress.
Sedan måste hål borras genom lagren för att skapa förbindelser mellan dem. Därefter elektropläteras de med koppar för att möjliggöra strömledning genom korten.
När processen som beskrivs ovan utförs, mönstras de yttre lagren genom avbildning, kopparplätering och etsning. Sedan appliceras en lödmask för att skydda koppar från oxidation och undvika lödbryggor. Slutligen trycks silkscreen på kortet.
Det återstår att utföra tester av kortet. Det innebär elektriska tester när alla kortslutningar eller problem med anslutningar är åtgärdade. Dessutom utför vissa tillverkare även impedansmätningar.
Tillämpningar av 4-lagers PCB
Det fyrskiktade kretskortet är idealiskt för moderna högpresterande elektroniska enheter som är mycket kompakta. Vanliga användningsområden för sådana kretskort inkluderar mobiltelefoner, bärbara datorer, telekommunikation, industrimaskiner, bilar, medicintekniska produkter och nätverksutrustning.
Mobiltelefoner och surfplattor är mycket kompakta och behöver därför separata strömplan för att säkerställa tillförlitlig höghastighets- och trådlös kommunikation. Bärbara datorer behöver mycket effektiva strömförsörjningsnätverk (PDN) över ström- och jordplan på grund av sitt kompakta hölje.
Industriell styr- och maskinutrustning kan använda kontinuerliga jordplan för att minska elektromagnetisk störning (EMI). Bilelektronik använder 4-lagerskort för tillförlitlighet i varierande väderförhållanden och för många olika enheter. Medicinsk precisionsutrustning kräver mycket tillförlitliga kort.
Vanliga misstag att undvika vid design av 4-lagers kretskort
Även om det antas att ett fyrlagers kretskort ska ha hög kvalitet och en stark struktur, kan fel uppstå under kretsdesignprocessen, vilket kan leda till att kortet inte fungerar. De fel som bör undvikas i designfasen av ett fyrlagers kretskort är:
·Poor choice of stack-up. It is important to choose the board type and its layers before considering the signals, since otherwise return paths become longer, increasing loop inductance and EMI risk.
·Ignoring the impedance value. Since impedance depends on trace width, distance thickness between layers, material properties (Dk), and stack-up configuration, it should be calculated accurately.
·Poor via design. Incorrect placement of the vias causes interruptions in the ground plane and disrupts return current paths. On the other hand, correct via location makes the system work properly.
·Thermal requirement consideration.
Välj en pålitlig tillverkare av 4-lagers kretskort
Valet av rätt tillverkningsföretag bör inte betraktas som enbart ett transaktionellt köp. Det bör ses som sökandet efter en leverantör som har nödvändig kompetens och expertis inom viktiga steg i tillverkningsprocessen, inklusive förmågan att producera flerskiktade kretskort.
Det är avgörande att förstå att ett kvalitetskontrollsystem är den viktigaste delen av en pålitlig tillverkare. Bra tillverkare har alltid förstklassiga test- och inspektionsverktyg. Det vore bra att samarbeta med tillverkaren som är villig att bygga upp kommunikationen och ge teknisk assistans under hela designprocessen. Det är rimligt att välja en tillverkare som har erfarenhet av att hantera sådana material och staplingskonfigurationer.
Utan tvekan kan vissa problem uppstå vid samarbete med tillverkaren. Ändå strävar en pålitlig tillverkare efter att uppfylla sina skyldigheter punktligt; därför skulle förekomsten av problem vara låg.
The Bottom Line
Fyrskiktade kretskort gör det möjligt att spara pengar vid tillverkning av ny elektronik eftersom flerskiktsteknik kan vara mer kostnadseffektiv i komplexa konstruktioner genom att minska routingssvårigheter, EMI-problem och omarbetning. Effektiv anslutning av ledare och andra komponenter är mycket viktigt för att utveckla kompakta elektroniska enheter i dagens läge. Genom att använda rätt teknik kommer ett fyrskiktat kretskort att möjliggöra önskvärda resultat genom att tillämpa nuvarande tekniker.
Fyrskiktstekniken fungerar bra när signalernas tillförlitlighet, storlek och renhet är avgörande för att få bra resultat. Fyra lager skapar en balans mellan arkitektonisk komplexitet och ekonomiska kostnader.
